復(fù)合地層雙線隧道盾構(gòu)施工地表位移分析

楊 飛，李 嘉，陳建軍

（浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310023）

0 引 言

盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用于地鐵隧道施工，由于盾構(gòu)開挖不可避免會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起地表沉降，對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物造成影響。針對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的地層位移，PECK[1]提出了地面沉降槽預(yù)測(cè)Peck經(jīng)驗(yàn)公式。羅雄文等[2]采用地表沉降時(shí)程曲線和地表橫向沉降曲線相結(jié)合的方法，分析雙線盾構(gòu)隧道前、后掘進(jìn)引起的地表沉降規(guī)律。許文浪等[3]采用數(shù)值模擬方法得出盾構(gòu)施工引起的主要沉降范圍及沉降規(guī)律。

李大勇等[4]和葉飛等[5]研究得出土體位移與盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力、隧道埋深、土層性質(zhì)、注漿壓力等因素有關(guān)。ADDENBROOKE等[6]和DO等[7]通過有限元模擬研究了雙線隧道先后開挖對(duì)地表沉降的影響，結(jié)果顯示地表最終沉降曲線非對(duì)稱分布。魏綱等[8]提出土體損失引起的三維地面變形計(jì)算公式。張明聚等[9]研究得出左、右線分別通過建筑物時(shí)基礎(chǔ)沉降值迅速增加，有明顯的二次沉降規(guī)律。劉招偉等[10]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果總結(jié)了地表沉降規(guī)律。劉輝等[11]介紹了復(fù)合地層中盾構(gòu)下穿密集建筑群的多種施工技術(shù)和應(yīng)用效果。

對(duì)復(fù)合地層條件下盾構(gòu)施工引起的地表沉降是近年來的研究熱點(diǎn)，目前地層位移研究多以沉降為主，水平位移研究較少。本文以杭州地鐵3號(hào)線某區(qū)間工程為依托，根據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)成果開展有限元模擬，研究復(fù)合地層中雙線盾構(gòu)隧道施工時(shí)地表沉降和水平位移規(guī)律。

1 項(xiàng)目概況

杭州地鐵3號(hào)線一期工程某區(qū)間為雙線隧道施工，總長(zhǎng)度為1 627 m。隧道軸線埋深10.4～18.4 m，盾構(gòu)前100環(huán)雙線隧道軸線間距L為11 m，采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。管片外徑D為6.2 m，內(nèi)徑d為5.5 m，管片厚度0.35 m，環(huán)寬1.2 m。先行左線隧道掘進(jìn)速度平均6環(huán)/天，后行右線掘進(jìn)速度平均2.7環(huán)/天。圖1為盾構(gòu)隧道地質(zhì)剖面圖，由圖1可知，始發(fā)后120 m（100環(huán)）區(qū)間隧道上部的土層主要分布有碎石填土、素填土，填土層厚度較厚，松散；隧道開挖斷面范圍內(nèi)中上部為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，局部有碎石夾黏性土，隧道開挖斷面中下部主要土層為中風(fēng)化泥巖上段，局部有中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖，強(qiáng)度高、自穩(wěn)能力強(qiáng)；隧道下方為中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖。各土層主要物理參數(shù)見表1，由表1可知，中風(fēng)化泥巖以下地層的彈性模量和強(qiáng)度指標(biāo)普遍大于上部地層，由此該隧道賦存于上軟下硬的復(fù)合地層。

圖1 盾構(gòu)隧道地質(zhì)剖面圖Fig. 1 Geological section of shield tunnel

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanics parameters of soil layer

2 地表沉降分析

2.1 地表沉降監(jiān)測(cè)

為掌握雙線盾構(gòu)施工中周邊道路地表沉降情況，依據(jù)相關(guān)規(guī)范制定監(jiān)測(cè)方案。地表沉降點(diǎn)沿盾構(gòu)軸線布設(shè)，近始發(fā)井前100環(huán)每5環(huán)設(shè)一軸線點(diǎn)，10環(huán)設(shè)一監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)從中線向兩側(cè)布設(shè)間距，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)斷面地表測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 2 Layout of monitoring points on the surface of the monitoring section

2.2 地表沉降槽分析

該盾構(gòu)區(qū)間由兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行挖掘，左線隧道先行開挖，右線隧道滯后110環(huán)左右。距始發(fā)站為20 m、30 m、40 m的觀測(cè)斷面地表沉降分布見圖3所示。先行隧道通過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面只監(jiān)測(cè)1～10點(diǎn)，雙線隧道都通過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面為1～14監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

由圖3可知，3個(gè)斷面整體位移變化量相接近，40 m處監(jiān)測(cè)斷面隧道所屬地層土體泥巖占比相對(duì)較大，導(dǎo)致整體變化量小于其他斷面，但總體維持在6～7 mm之間，由此可知盾構(gòu)隧道在復(fù)合地層中施工地表位移量變化相對(duì)穩(wěn)定，各監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)離散性較小，能較好反映地表沉降分布規(guī)律。與一般工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類似，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有一定的波動(dòng)性，推測(cè)與地層非完全均勻、盾構(gòu)施工參數(shù)波動(dòng)、地面車輛載荷等干擾因素相關(guān)。

圖3 地表沉降分布曲線Fig. 3 Distribution of surface settlement

先行隧道單線施工時(shí)，地表沉降大致符合Peck曲線分布，沉降槽曲線呈現(xiàn)“V”型，沉降最大值出現(xiàn)在隧道軸線附近處，當(dāng)雙線隧道都通過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，最終的地表沉降呈現(xiàn)“W”型分布，沉降曲線出現(xiàn)兩個(gè)極值點(diǎn)，極值點(diǎn)出現(xiàn)在各自隧道軸線附近，沉降分布與Peck曲線差距較大。說明后行線開挖對(duì)地層造成二次擾動(dòng)，產(chǎn)生新的位移，與先行隧道掘進(jìn)形成的位移疊加，兩次位移存在疊加效應(yīng)，這與相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果一致[12]。該區(qū)段斷面最大沉降量在6～8 mm之間，不同斷面存在一定差異，與地層構(gòu)成有關(guān)。

3 地層位移的數(shù)值模擬分析

采用MIDAS/GTSNX有限元分析軟件對(duì)復(fù)合地層前50環(huán)盾構(gòu)開挖過程進(jìn)行模擬分析，水位設(shè)為-2 m，模型長(zhǎng)60 m、寬100 m、深50 m，見圖4，土體計(jì)算參數(shù)見表1。

圖4 三維計(jì)算模型Fig. 4 Three-dimensional numerical model

對(duì)盾構(gòu)施工動(dòng)態(tài)全過程模擬，施工階段模擬：土體開挖、管片縱向拼接、同步注漿；荷載模擬：千斤頂對(duì)管片推力、掘進(jìn)壓力、注漿壓力。具體模擬步驟見表2。

表2 隧道開挖分析步驟Table 2 Analytical steps of tunnel excavation

軟件中管片采用2D板單元模擬。由于管片環(huán)存在接頭，對(duì)其剛度會(huì)有影響，目前管片常用設(shè)計(jì)方法中并不考慮此影響，在修正設(shè)計(jì)方法中適當(dāng)考慮折減，但折減率目前未有統(tǒng)一理論。在此為了將問題簡(jiǎn)化，模型中借鑒常用設(shè)計(jì)方法，不考慮接縫對(duì)剛度的影響?？紤]管片主要承受土體環(huán)向壓力，因此將管片的縱向彈性模量等同于橫向彈性模量。

盾構(gòu)工程中壁后注漿材料經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)連續(xù)硬化過程，彈性模量、強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生連續(xù)變化。為了充填密實(shí)，工程中采用帶壓注漿，注漿量是壁后空間體積的2倍左右。因此為了使模型簡(jiǎn)化，認(rèn)為充填是密實(shí)的，壁后注漿材料采用線彈性模型。

依據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[13]以及該工程施工參數(shù)選取掘進(jìn)壓力為0.12 MPa，注漿壓力為0.2 MPa，千斤頂對(duì)管片壓力為0.1 MPa，結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)Table 3 Parameters of structure materials

3.1 豎向位移分析

將距始發(fā)站20 m的監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模型17環(huán)處模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖5。雙線隧道先后開挖通過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，數(shù)值模擬的地表沉降最大值相對(duì)較小，曲線較平順。由此可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互論證，符合實(shí)際規(guī)律，反映了建立的模型具有合理性，模擬計(jì)算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性，對(duì)后續(xù)盾構(gòu)施工土層擾動(dòng)影響具有一定參考價(jià)值。

圖5 雙線隧道先后施工時(shí)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比圖Fig. 5 Comparison of measured and simulated results during successive construction of double-line tunnels

3.2 復(fù)合地層豎向位移規(guī)律分析

比較上軟下硬土層的交界面（以下簡(jiǎn)稱交界面）在不同位置時(shí)地表豎向位移的差異。交界面位置設(shè)定為4種情況，分別位于土層③頂面（情況一）、土層⑤頂面（情況二）、土層⑥頂面（隧道截面圓心）（情況三）、土層⑦頂部（情況四），硬土層性質(zhì)取為土層⑦，見圖6。此外設(shè)定同一種性質(zhì)軟土層（情況五）和硬土層（情況六）。6種情況下地層分布見表4，對(duì)應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)見表1。6種情況下模型計(jì)算步驟見表2。6種情況的地表豎向位移分布見圖7所示。

圖6 隧道與復(fù)合地層交界面相對(duì)位置關(guān)系圖Fig. 6 Relative position of the interface between tunnel and composite formation

表4 不同模型地層分布Table 4 Stratigraphic distribution of different models

由圖7可見，按地表沉降量大小可將6種情況分成3組。當(dāng)?shù)貙佣际怯餐翆樱ㄇ闆r六）和隧道截面處于硬土層且地表軟土層較薄時(shí)（情況一）為第1組，兩者位移量較?。划?dāng)?shù)貙佣际擒浲翆樱ㄇ闆r五）和隧道截面完全處于軟土層時(shí)（情況四）為第2組，地表位移量較大；當(dāng)軟硬土層交界面貼近隧道上表面（情況二）和位于隧道截面中部時(shí)（情況三）為第3組，兩者地表位移量接近，介于以上2組之間。3組位移量的對(duì)比關(guān)系符合一般規(guī)律，即隧道開挖在硬土層中地表位移小于軟土層位移。對(duì)比情況一和情況二地表位移可見，當(dāng)軟硬土層交界面位于隧道上方時(shí)，隨著交界面的下移，最大沉降位移顯著增大，其原因是地表沉降主要由上部地層的位移構(gòu)成，上部地層的性質(zhì)對(duì)地表位移影響顯著。復(fù)合地層發(fā)生明顯沉降的地表范圍與軟土地層接近，與硬土層差距明顯。復(fù)合地層沉降范圍大致為70 m（11 D），硬土層大致為50 m（8 D）。

圖7 地表沉降曲線分布圖Fig. 7 Distribution map of surface settlement curves

3.3 水平位移分析

圖8為雙線隧道先后施工完成后水平位移云圖，距始發(fā)站20 m監(jiān)測(cè)斷面（地表以下3 m）水平位移沿橫向分布見圖9，水平位移值的正負(fù)表示沿相反方向變形（向右側(cè)移動(dòng)為正）。由圖8可見，水平位移呈現(xiàn)對(duì)稱分布，即先行隧道施工后，沿先行隧道軸線對(duì)稱分布；后行隧道施工后，沿兩隧道軸線中心處對(duì)稱分布。水平位移最大絕對(duì)值為2.99 mm，是最大豎向位移量的41.2%。

圖8 水平位移云圖Fig. 8 Horizontal displacement nephogram

圖9 水平位移分布Fig. 9 Horizontal displacement distribution

由圖9可知，先行線開挖后地表水平位移有2個(gè)峰值，位置在距離隧道軸線1.5 D處，在隧道中心處位移幾乎為0，隨著遠(yuǎn)離隧道軸線，水平位移由小變大，當(dāng)水平位移達(dá)到最大值后隨著離隧道軸線距離增加而先加速后緩慢減小。在距離隧道軸線約2.7 D處水平位移出現(xiàn)反彎點(diǎn)，在距離隧道軸線3.4 D處水平位移只有最大值的25%左右。隨著后行線隧道的開挖，導(dǎo)致地表水平位移增大，峰值位移增大24%；后開挖隧道側(cè)的峰值位移向后開挖側(cè)移動(dòng)2.6 D，先開挖隧道側(cè)的峰值位移向后開挖側(cè)略微移動(dòng)，在雙隧道中心處地層水平位移接近于0。

4 結(jié) 論

以杭州地鐵3號(hào)線一期工程某區(qū)間隧道為依托，對(duì)盾構(gòu)前100環(huán)施工的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬，研究盾構(gòu)隧道施工引起地層的位移分布及變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）先行隧道施工時(shí)，地表沉降大致符合Peck曲線分布，最大值位于隧道軸線附近處，當(dāng)雙線隧道施工時(shí)，地表沉降呈現(xiàn)“W”型分布，兩個(gè)極值點(diǎn)位于各自隧道軸線處。

（2）基于數(shù)值模擬分析可見，地表豎向位移與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大致相符；在水平位移上，單線隧道施工時(shí)，距離隧道軸線1.5 D處的水平位移達(dá)最大，在距2.7 D處，出現(xiàn)反彎點(diǎn)。

（3）復(fù)合地層情況下地表沉降介于全部為硬層和軟層之間。當(dāng)交界面位于隧道上方時(shí)，隨著交界面的下移，最大沉降位移顯著增大。地表沉降主要由上部地層的位移構(gòu)成，上部地層的性質(zhì)對(duì)地表位移影響顯著。

（4）隨著后行隧道的開挖，導(dǎo)致地表水平位移增大，峰值位移增大24%；后開挖隧道側(cè)的峰值位移向后開挖側(cè)移動(dòng)2.6 D，先開挖隧道側(cè)的峰值位移向后開挖側(cè)略微移動(dòng)。

本文主要結(jié)論對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工具有借鑒意義。雙線盾構(gòu)隧道開挖時(shí)復(fù)合地層地表沉降范圍與軟土地層時(shí)接近，在評(píng)估盾構(gòu)施工環(huán)境效應(yīng)時(shí)可以參考。軟硬地層交界面位置對(duì)地表沉降有直接影響，在盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)與施工時(shí)要注意識(shí)別。